貴陽職業(yè)技術學院 張吉婷

基于TMS320F2812為控制核心的交流伺服系統(tǒng)硬件設計

貴陽職業(yè)技術學院 張吉婷

隨著微處理器技術、電力電子技術、電機制造技術和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)的應用越來越廣。本文控制電路的核心為TMS320F2812，功率驅動電路的核心為FSBB20CH60，完成了交流伺服系統(tǒng)硬件的設計，包括電流采樣及故障保護在內的硬件部分電路，具備了設計合理、結構緊湊、控制精確等優(yōu)點。

交流伺服系統(tǒng)；數(shù)字信號處理器；采樣電路；故障檢測保護

引言

隨著微處理器技術和伺服技術的迅猛發(fā)展，伺服驅動控制技術進入了交流全數(shù)字式的時代。本文設計了基于TMS320F2812為控制核心的交流伺服控制系統(tǒng)，為今后對交流伺服系統(tǒng)的深入研究打下基礎。

1 交流伺服系統(tǒng)結構

交流伺服控制系統(tǒng)主要由主控制電路、啟動電路、信號檢測電路、故障信號邏輯保護電路、I/O接口電路、供電電路等部分組成，如圖1所示。

圖1 交流伺服系統(tǒng)硬件框圖

圖2 系統(tǒng)啟動電路圖

2 硬件電路部分

2.1 TMS320F2812處理器

TMS320F2812（簡稱DSP2812）是TI公司推出的基于TMS320C28×內核的高性能32位定點數(shù)字信號處理器，它專門為電機控制設計[2]。其特點主要有：低功耗、處理數(shù)據(jù)速度快、內存容量大還有多樣化的數(shù)據(jù)接口等。

在圖1中，TMS320F2812控制器主要負責控制模、數(shù)信號的轉換，對轉子位置進行檢測，通過PID控制來調節(jié)電流和速度。驅動智能功率模塊(IPM)時，控制器利用空間矢量算法得到PWM控制信號后，經(jīng)由光耦傳感電路驅動IPM。

系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障時，檢測電路檢測到故障信號后立即傳遞給控制器，可以立即處理故障信號，并封鎖PWM控制信號的輸出，實現(xiàn)保護作用。

圖3 電流采樣電路圖

圖4 轉子位置檢測電路圖

2.2 基于FSBB20CH60的功率模塊

FSBB20CH60是飛兆公司設計開發(fā)的智能功率模塊（IPM）。該模塊熱阻極低，采用600V-15A三相IGBT逆變器，內置門極驅動和功率器件保護用控制集成電路，提供了無需光耦的單電源IGBT門極驅動能力[3]。

2.3 啟動電路

為避免電路剛啟動時有很大的瞬時電流，減少對功率驅動部分的沖擊，設計了啟動電路。在電路通電時，通過光耦元件的關斷和繼電器動作時的體現(xiàn)的繼電特性來緩沖對電路的沖擊，如圖2所示。

2.4 信號檢測單元設計

信號檢測電路是交流伺服控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制必不可少的環(huán)節(jié)，是控制系統(tǒng)的電流和速度信號反饋回路。本硬件設計的信號檢測單元主要有電流采樣電路、永磁電機轉子位置轉速檢測等電路。

2．4．1 電流采樣電路

為了簡化采樣過程，交流永磁同步電機定子電流信號的采集可以充分利用自身聯(lián)接的特點來進行。采用星形接法時，要得到三相定子電流信號只需要利用電流傳感器采集定子三相電流中的兩相即可。采集到定子電流信號之后，傳感器輸出采樣電流信號，轉換為電壓信號，最后輸出到DSP2812的模／數(shù)轉換部分進行算法控制，如圖3所示。

2．4．2 轉子位置檢測電路

在伺服控制系統(tǒng)在運行過程中，為實時判斷電機轉速是否正常，防止電機轉速失常引起損壞的現(xiàn)象，需要實時檢測獲知轉子的轉速信息。在速度控制時，進行矢量控制算法運算，通過采集位置信息進行轉速計算。

本系統(tǒng)采用了自帶增量式光電編碼器的永磁電機進行位置檢測，并采用衰減小、抗干擾能力強的TTL方波長線差分驅動方式，可傳輸較遠的距離[4]。編碼器信號通過長線驅動器SN75175D將差分信號轉化為單路信號傳入DSP。如圖4所示。

2.5 故障檢測和保護單元設計

2．5．1 過壓失壓保護電路

過壓失壓保護電路實時檢測系統(tǒng)中電壓信號的狀態(tài)。當電壓出現(xiàn)異常時該電路立即將故障信息傳遞給控制器，從而及時處理，實現(xiàn)保護系統(tǒng)安全。

2．5．2 故障保護電路

檢測電路檢測到異常的電流或電壓信號時，立刻傳遞給控制器進行處理。產(chǎn)生的所有的故障保護信號，經(jīng)光耦元件隔離干擾信息后，通過與門的邏輯運算判斷出高低電平再輸出到DSP。PWM信號立刻封鎖，保護整個系統(tǒng)。所有的故障信號低電平有效，正常情況下均處于高電平狀態(tài)。當發(fā)生故障時PDPINTA引腳電平被拉低，所有PWM輸出都被置為高阻狀態(tài)，保障系統(tǒng)安全。統(tǒng)具有廣泛的實用價值，非常適合應用于電機控制領域。

[1]崔鳳波．伺服技術的應用與發(fā)展趨勢[J]．機電設備,2007, 24(4):5-8．

[2]蘇奎峰,蔡昭權,呂強等．TMS320F281XDSP應用系統(tǒng)設計[M]．北京:北京航空航天大學出版社,2008:56．

[3]邵明雙,孫軍．變頻空調中基于FSBB20CH60的高性能功率模塊設計[J]．工業(yè)控制與應用,2006,25(1):28-31．

[4]習勇．基于DSP的永磁交流伺服系統(tǒng)的設計與研究[D]．華中科技大學碩士學位論文,2008．

[5]袁秀平,李鶴一,方祖華,徐宏兵等．基于TMS320F2812的數(shù)字交流伺服驅動器的設計[J]．機床與液壓,2009,37(9):182-184．

3 結論

本文在設計的以TMS32F2812為核心的交流伺服控制系

張吉婷（1987—），女，貴州貴陽人，碩士研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。